Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Методы и средства контроля нагруженности секций механизированных крепей 11
1.1 Анализ подходов к экспериментальной оценке нагруженности секции механизированной крепи 12
1.2 Тензометрический контроль элементов металлоконструкций секции механизированной крепи 19
1.3 Современные подходы к построению мобильных первичных измерительных преобразователей 27
1.3.1 Съмные тензометрические преобразователи 29
1.3.2 Тензорезисторы, используемые для построения СТП 32
1.4 Выводы по главе 1 38
ГЛАВА 2. Исследования характеристик элементов СТП для оценки нагруженности секции механизированной крепи 40
2.1. Исследование параметров тензорезистора СТП 41
2.1.1 Оборудование и методика исследований 43
2.1.2 Исследование основных характеристик полупроводникового тензорезистора KSP 46
2.2 Исследование влияния конструкции и геометрических параметров упругого элемента на чувствительность СТП 60
2.2.1 Влияние геометрических параметров упругого элемента СТП на уровень деформации в зоне установки тензорезистора 62
2.2.2 Анализ способов закрепления УЭ на объекте контроля 72
2.3 Выводы по главе 2 73
ГЛАВА 3. Разработка методики оценки нагруженности элементов металлоконструкций секции механизированной крепи 76
3.1 Программа экспериментальных исследований 76
3.2 Разработка технических и программно-аппаратных средств экспериментальных исследований 78
3.2.1 Лабораторный стенд 78
3.2.2 Разработка макета мобильной тензометрической системы 81
3.2.3 Порядок работы технических средств 92
3.3 Методика проведения экспериментальных исследований 94
3.3.1 Стендовые лабораторные испытания 94
3.3.2 Заводские испытания 102
3.4 Выводы по главе 3 103
ГЛАВА 4. Результаты экспериментальных исследований характеристик арочных СТП и оценки нагруженности элементов металлоконструкций секции механизированной крепи 105
4.1 Исследования характеристик СТП 105
4.2 Лабораторные стендовые исследования элемента металлоконструкции секции механизированной крепи 115
4.2.1 Экспериментальная оценка деформаций рычага траверсы секции МКЮ.2У-12/25 при использовании прижимного способа закрепления 115
4.2.2 Оценка стабильности измерений при оценке деформаций рычага траверсы секции МКЮ.2У-12/25 при многократной переустановке АСТП
и комбинированном способе закрепления 125
4.2.3 Сопоставление полученных результатов с другими методами НК 128
4.3 Заводские стендовые исследования секции МКЮ.2У-07/19 130
4.3.1. Оценка механических напряжений перекрытия секции МКЮ.2У-07/19
арочными СТП 130
4.4 Выводы по главе 4 138
Заключение 140
Список сокращений 142
Список литературы 143
- Тензометрический контроль элементов металлоконструкций секции механизированной крепи
- Исследование основных характеристик полупроводникового тензорезистора KSP
- Разработка технических и программно-аппаратных средств экспериментальных исследований
- Лабораторные стендовые исследования элемента металлоконструкции секции механизированной крепи
Введение к работе
Актуальность темы
Работоспособность секций механизированных крепей, рабочих органов проходческих и очистных комбайнов, другого горношахтного оборудования в значительной степени зависит от запаса прочности, заложенного при проектировании, качества изготовления, характера и величины эксплуатационных нагрузок, своевременного проведения ремонтных и восстановительных работ.
В настоящее время отсутствуют первичные измерительные преобразователи (ПИП), ориентированные на регистрацию и визуализацию распределения деформаций и напряжений элементов металлоконструкций секции механизированной крепи, для установления фактических нагрузок в процессе эксплуатации. Наличие таких преобразователей позволит повысить эффективность исследования связей и закономерностей с фактическими нагрузками для совершенствования существующих и создания новых секций механизированных крепей и их элементов.
На стадии изготовления исследования влияния воздействия эксплуатационных нагрузок на элементы металлоконструкций секции механизированной крепи проводят, измеряя фактические значения деформаций в отдельных контрольных точках при приемосдаточных прочностных статических заводских испытаниях.
При этом существующая методика тензометрического контроля при проведении заводских испытаний не позволяет оперативно корректировать место измерения деформаций исследуемой поверхности металлоконструкций, что обусловлено невозможностью повторного использования применяемых в качестве ПИП приклеиваемых тензорезисторов.
Одним из решений, позволяющих обеспечить мобильность ПИП, то есть возможность перемещать и переустанавливать его, является использование съмного тензометрического преобразователя (СТП) с упругим элементом (УЭ). Однако включение УЭ в систему измерения значительно снижает чувствительность преобразователя.
Решение этих задач имеет высокую практическую значимость в связи с тем, что в рамках приказа Минпромторга РФ № 645 от 31.03.2015 года предусмотрено значительное снижение доли импорта горнодобывающих комплексов, оборудования и комплектующих. При этом для реализации утвержденной Правительством РФ в 2012 году Долгосрочной Программы развития угольной промышленности России на период до 2030 года ставятся задачи модернизации и обновления производственных мощностей по добыче и переработке угля с обеспечением мировых стандартов.
Таким образом, совершенствование операции контроля при прочностных статических приемосдаточных испытаниях в рамках технологического процесса изготовления механизированной крепи с целью обеспечения высокого качества является актуальной научной задачей.
Степень разработанности
Определение характера и уровня нагрузок на элементы секций механизированных крепей являлось предметом исследований Александрова Б. А., Ардашева К. А., Буялича Г. Д., Глазова Д. Д., Глушихина Ф. П., Ерохина А. И., Каткова Г. А., Клишина В. И., Крохотухина А. И., Кузнецова Г. Н., Кузнецова С. Т., Леконцева Ю. М., Любимова А. Н., Медведева Е. Г., Орлова А. А., Попова В. Л., Садыкова Н. М., Трумбачева В. Ф. и др. В результате исследований, выполненных этими учными, разработаны методы и средства оценки контактных напряжений и нагрузок на элементы секций механизированных крепей, установлены многие важные закономерности работы крепей и их элементов в различных горнотехнических условиях. Несмотря на это, анализ методов и средств определения технического состояния горношахтного оборудования свидетельствует о том, что вопрос прямой оценки нагруженности элементов металлоконструкций секции механизированной крепи до конца не решен.
Цель работы – оценка нагруженности элементов металлоконструкций секции механизированной крепи.
Идея работы – использование съмных тензометрических преобразователей.
Основные задачи исследований:
-
Выявить направления повышения эффективности оценки нагру-женности элементов металлоконструкций секции механизированной крепи на основе анализа современных представлений в области оценки состояния ответственных конструкций с использованием тензометрического метода.
-
Обосновать состав и провести экспериментальные исследования параметров СТП для оценки деформаций элементов металлоконструкций секции механизированной крепи.
-
Разработать методику оценки нагруженности элементов металлоконструкций секции механизированной крепи и технические средства для е практической реализации.
-
Произвести оценку нагруженности элементов металлоконструкций секции механизированной крепи в контрольных точках по разработанной методике с использованием СТП в лабораторных и заводских условиях и сопоставить с результатами оценки по заводской методике.
Научная новизна исследований:
-
Обоснована конфигурация арочного УЭ СТП для оценки нагру-женности элементов металлоконструкций секции механизированной крепи, отличающаяся вогнутым сводом переменного сечения с радиальным сопряжением дуг, позволяющая достичь максимального уровня деформаций в зоне установки тензорезистора, за счет чего обеспечивается повышение чувствительности ПИП.
-
На основе экспериментальных исследований впервые установлены статические характеристики преобразования СТП на основе арочного УЭ
с вогнутым сводом и полупроводниковых тензорезисторов типа KSP для оценки нагруженности элементов металлоконструкций секции механизированной крепи.
3. Впервые при оценке нагруженности элементов секции получена зависимость механических напряжений от нагрузки на примере перекрытия МКЮ.2У-07/19 при стендовых внутризаводских испытаниях с использованием СТП на базе разработанного арочного УЭ.
Практическая значимость результатов работы:
Метод экспресс-анализа с использованием разработанных арочных СТП позволяет в произвольном месте плоской поверхности элемента металлоконструкции секции механизированной крепи проводить оценку деформаций по оси, совпадающей с осью СТП на исследуемой поверхности с относительной погрешностью не более 12 %. Метод может быть использован для оперативного определения зон наибольших деформаций металлоконструкций элементов горношахтного оборудования или предварительной визуализации деформированного состояния объекта контроля перед установкой монтажных винтовых стоек СТП.
Программно-аппаратный комплекс макета мобильной тензометри-ческой системы, образцы арочных СТП, методика доведены до практической реализации в виде стендового макетного образца и могут быть использованы для исследования нагруженности элементов металлоконструкций горных машин при статических нагрузках;
Лабораторный стенд для моделирования нагружения и оценки деформаций позволяет проводить экспериментальные исследования и практические занятия по изучению влияния прикладываемой нагрузки по схеме поперечного изгиба на уровень деформаций и напряжений поверхностей исследуемых балок и металлоконструкций с габаритами до 1400380230 мм тензометрическим методом.
Методы исследований, используемые в ходе выполнения работы:
натурные экспериментальные методы оценки механических деформаций и напряжений;
метод конечных элементов для компьютерного моделирования напряженно-деформированного состояния;
методы математической статистики при обработке результатов экспериментальных исследований.
Научные положения, выносимые на защиту:
1. При статическом нагружении секции механизированной крепи чувствительность арочного УЭ СТП с вогнутым сводом и радиальным сопряжением дуг определяется его геометрическими параметрами, при этом чувствительность УЭ возрастает с увеличением радиуса сопряжения его дуг до 10 мм и при уменьшении ширины поперечного сечения свода от монтажных площадок до вершины.
-
Коэффициент тензочувствительности СТП для оценки нагружен-ности элементов металлоконструкций секции механизированной крепи с использованием арочного УЭ совместно с полупроводниковым тензоре-зистором типа KSP при прижимном и комбинированном способах закрепления составляет 26,71 и 29,76 соответственно.
-
Размещение СТП на плоскости внутренних защищенных поверхностей перекрытия, основания, рычажных траверс и ограждения секции механизированной крепи обеспечивает измерение механических напряжений металлоконструкций в диапазоне от 0 до 450 МПа с погрешностью не более 6 % от расчетных значений.
Достоверность положений и результатов обеспечивается коррект
ным использованием стандартных программ расчета и методов моделиро
вания, использованием сертифицированной аппаратуры и оборудования
для получения основных характеристик тензорезисторов СТП (установка
для градуировки приклеиваемых тензорезисторов сертификат
RU.E.28.007.A №27992, ГРСИ № 34927-07 и тензосистема ММТС-64.01 свидетельство RU.С.34. 007.А №44412, рег. №21760-01), воспроизводимостью авторских результатов исследований, полученных на разработанном стендовом оборудовании в программной системе «Стенд-Инфо» (свидетельство ФИПС о регистрации программы для ЭВМ № 2011618442) и результатов, полученных ранее на сертифицированном стендовом оборудовании, удовлетворительной сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований.
Реализация работы
С 2013 года исследования выполнены в соответствии с планом НИР ИУ СО РАН, проект 74. «Научные основы создания новых поколений горных машин и оборудования, обеспечивающих безопасность и эффективность подземных работ, исследование их взаимодействия с массивом горных пород» (№ 0354-2014-0004).
Практические результаты переданы для реализации заводу-изготовителю секций МКЮ.2У-07/19, МКЮ.2У-12/25. Предложенный комплекс научно-технических решений позволяет производить измерение фактических деформаций элементов металлоконструкций секции механизированной крепи в процессе приемосдаточных испытаний с возможностью оперативной переустановки СТП и корректировки исследуемой зоны.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на XV и XIX Международной научно-практической конференции студентов и молодых ученых «Современные техника и технологии», Томск, (2009, 2013); II Всероссийской, 55-й научно-практической конференции «Россия молодая»: г. Кемерово, КузГТУ, 2010 г.; Всероссийском инновационном молоджном форуме «Селигер-2010» – смена «Инновации и техническое творчество»: Осташков, 2010 г.; Региональном конкурсе инновационных проектов «Кубок техноваций»,
декабрь 2010 г.; Семинаре «Технология создания производственных задач и создания инновационных продуктов» МИМОП: г. Москва, 5–6 мая 2011 г.; Всероссийском конкурсе инновационных проектов «НАИРИТ», 2011 г.; Всероссийской научно-практической конференции «Информационно-телекоммуникационные системы и технологии (ИТСиТ)»: г. Кемерово, КузГТУ (2012, 2014 гг.); IV Международной научно-практической конференции «Перспективы инновационного развития угольных регионов России»: г. Прокопьевск, 2014 г.; Международной промышленной выставке производственного оборудования «Manufacturing Indonesia - 2012»; Областном инновационном конвенте «Кузбасс: Образование, наука, инновации»: г. Кемерово, 4–5 декабря 2014 г.
В 2013 году автором получен грант ОАО «Сибирская угольная энергетическая компания» (СУЭК) на проведение научных исследований по теме диссертационной работы.
Результаты исследований включены в научно-технический отчет по проекту «Разработка мобильной микропроцессорной тензометрической системы контроля состояния промышленных конструкций» в рамках программы «СТАРТ» Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере (Госконтракт № 11089р/8345 от 01.10.2012 г.).
Результаты диссертационного исследования прошли практическую
апробацию в рамках Федеральной целевой программы «Исследования и
разработки по приоритетным направлениям развития научно-
технологического комплекса России на 2014–2020 годы» по теме: «Разработка экспериментальных конструкций комбинированного инструмента с применением сверхтвердых композиционных материалов для эффективного разрушения горных пород» (Соглашение № 14.607.21.0028 от 05.06.2014 г.).
Публикации. По теме диссертационного исследования автором опубликовано 12 работ, в том числе 4 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, одно свидетельство ФИПС о регистрации программы для ЭВМ.
Личный вклад автора состоит:
в разработке и сборке лабораторного нагружающего стенда, вспомогательных устройств и средств сопряжения аппаратных элементов макетного образца мобильной тензометрической системы для проведения экспериментальных исследований;
в разработке методики оценки нагруженности элементов металлоконструкций секций механизированной крепи с использований арочных СТП;
в непосредственном участии в создании программной системы «Стенд-Инфо» для регистрации, визуализации и обработки экспериментальных данных;
- в получении, обработке, анализе экспериментальных данных, апробации результатов и подготовке основных публикаций по теме выполненного диссертационного исследования.
Объем и структура работы
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 124 наименований. Работа изложена на 160 страницах машинописного текста и содержит 63 рисунка, 28 таблиц и 2 приложения.
Тензометрический контроль элементов металлоконструкций секции механизированной крепи
Фактические данные о действующих нагрузках на элементы секции важны для обеспечения эксплуатационной надежности и безопасности механизированных крепей. Значения деформаций и напряжений в металлоконструкциях, характеризующие нагруженность элементов секции, были и остаются важнейшими показателями работоспособности и безопасности механизированных крепей на стадии производства, испытаний и последующего эксплуатационного контроля.
От правильности оценки деформаций и напряжений в металлоконструкции, возникающих при воздействии основных эксплуатационных нагрузок, существенно зависят принципы проектирования, в том числе выбор конструкционного материала, конструктивное оформление узлов, требования к эксплуатации и технологии изготовления [1]. При этом к настоящему времени основные усилия в развитии крепестроения направлены на снижение металломкости и стоимости оборудования, повышение наджности всех узлов, оптимизацию конструкции [2-6]. Поэтому для разработчиков и производителей крепей анализ нагруженности элементов секции необходим для обоснования параметров конструкций проектируемых секций с учетом различных горнотехнических условий.
Заводская проверка контроля качества и подтверждение соответствия прочности элементов металлоконструкций секции механизированной крепи требованиям безопасности – для принятия решения о возможности постановки на производство – согласно [7] рабочей программе и методике испытаний (РПМ) основаны на результатах стендовых прочностных и статических испытаний. Поэтому важным этапом решения проблемы обеспечения работоспособности и безопасности секций механизированных крепей является определение фактических деформаций и напряжений металлоконструкций, выявление наиболее нагруженных зон и элементов в процессе заводских предварительных и приемо-сдаточных испытаний – для проверки проектных решений и – в перспективе – для эксплуатационного контроля.
Учитывая важность этой задачи, одним из ведущих производителей горнодобывающего оборудования России, ключевым предприятием тяжелого машиностроения Кузбасса – ООО «Юргинский машзавод», для повышения эффективности оценки нагруженности выпускаемых секций механизированных крепей и обеспечения эксплуатационной безопасности, проверки качества проектных решений – поставлена комплексная задача разработки необходимых технических средств и методик оперативного контроля фактических механических характеристик металлоконструкций секции в режиме реального времени [8].
В соответствии с техническими требованиями завода, в рамках данной работы решались задачи анализа существующих подходов для неразрушающего контроля и мониторинга ответственных конструкций, выявления направлений проведения НИР и ОКР для повышения эффективности существующих методов и их адаптации для прямой оценки деформаций элементов металлоконструкций секций механизированных крепей производства ООО «Юргинский машзавод», с учетом производственной и эксплуатационной специфики, нормативной документации и РПМ. При этом НИОКР необходимо проводить с учетом перспективы дальнейшего применения полученных решений в условиях эксплуатации для регистрации данных о воспринимаемых нагрузках производимого оборудования в режиме «черный ящик». На начальном этапе технические средства и методики могут быть испытаны и внедрены при проведении внутризаводских предварительных, приемосдаточных и сертификационных испытаний секций.
К настоящему времени имеется значительное количество результатов исследований в области оценки деформаций и напряжений, возникающих в метал 13 локонструкциях секций механизированных крепей на стадии их производства и эксплуатации. На этапе создания первых промышленных образцов секций применялись различные методы и средства для оценки нагруженности разрабатываемых конструкций. Определение характера и уровня нагрузок на элементы металлоконструкций механизированных крепей являлось предметом исследований таких институтов, как КузГТУ им. Т. Ф. Горбачева, НИТУ «МИСиС», Национальный минерально-сырьевой университет «Горный», Национальный научный центр горного производства «Институт горного дела им. А. А. Скочинского», ОАО «ВНИМИ», ОАО «Гипроуглемаш», ОАО «ПНИУИ» и других, начиная с момента создания первых образцов в 1930-х годах.
Исследования по определению характера и уровня нагрузок проводились параллельно с конструкторской деятельностью по созданию механизированных крепей и обоснованию их параметров с учетом условий залегания угольных пластов. Сложность проверки проектных решений в горнодобывающей промышленности привели к активному развитию исследований на моделях с применением метода эквивалентных материалов [11].
Одни из наиболее ранних комплексных исследований работы крепей проводились в ОАО «ПНИУИ» на масштабных моделях крепи типа ККВ-1 конструкции Ардашева К. А. с 1954 по 1959 год [11, 18, 19]. Тогда для выявления условий взаимодействия с вмещающими породами в зависимости от углов падения пласта и составов пород кровли использовалась гидрофицированная модель крепи, в которой сопротивление смещающейся кровле создавалось весом столба жидкости в пьезометрической трубке. Исследования на моделях с определенной степенью допущений позволяло выявить наиболее важные особенности работы конструкции без проведения натурных испытаний полногабаритных конструкций. Это в значительной степени удешевляло и упрощало процесс поиска и обоснования оптимальных параметров элементов конструкций разрабатываемых крепей.
Активное применение начали получать экспериментальные методы определения механических напряжений деталей и конструкций, основанные на измере 14 нии деформаций или других параметров материала. В основе методов лежало свойство некоторых материалов изменять при деформации свое электрическое сопротивление, так называемый тензоэффект.
Наиболее активный период исследований пришелся на 1960-70-е годы. В данный период в ОАО «ПНИУИ» для измерения контактных нагрузок на элементы секции 1МК А. И. Ерохиным было предложено использовать тензометриче-ские пластины из плоских тензодинамометров [12, 18, 19]. Тензодинамометры размером 10010023 мм устанавливались по внешнему контуру на грузонесу-щих элементах специально изготовленной модели секции в соответствии с рисунком 1.1 а. Применение тензодинамометров позволило получать эпюры распределения контактных нагрузок на основные элементы модельной секции: основание, ограждение и перекрытие (рисунок 1.1 б), однако означало недоступность датчиков для обслуживания и наличие их механического контакта тензодинамометров с породами, что предполагает их износ. По этой причине для полноразмерной конструкции секции измерениям по внешнему контуру предпочтительны измерения на внутренних волокнах в защищенной зоне, что предполагает доступность для обслуживания и настройки оборудования.
Исследование основных характеристик полупроводникового тензорезистора KSP
При этом относительные значения среднего квадратического отклонения коэффициента тензочувствительности проволочных и полупроводниковых тен-зорезисторов сопоставимы и равны 0,67 % и 0,84 %, соответственно. Следовательно, использование полупроводиковых тензорезисторов позволяет существенно повысить чувствительность тензосистемы при незначительном разбросе коэффициента тензочувствительности.
Измерение чувствительности проволочных и полупроводниковых тен-зорезисторов при различной силе тока питания. Для испытаний использовались три значения тока питания: 6,6 мА; 9,1 мА; 14,5 мА (рисунок 2.5, 2.6). На рисунках 2.5 и 2.6 представлены зависимости выходного напряжения тензорезисторов от нагрузки, прикладываемой к градуировочной балке, при различных значениях силы тока.
Из полученных характеристик видно, что тензорезисторы при различной силе тока обладают линейными характеристиками, близкими к идеальным. При этом чувствительность их пропорциональна силе тока. Следовательно, погрешности от саморазогрева тензорезисторов, вызванные протекающими по ним токами, в выбранном диапазоне измерений малы. Рисунок
Испытания на ползучесть проволочных и полупроводниковых тензорезисторов проводилось при нагружении балки до деформации єн = ± 477 за время не более 60 с. Зарегистрированный прогиб балки составлял ± 0,8 мм. Затем в течение последующих 60 с регистрировали сопротивления проволочных и полупроводниковых тензорезисторов при деформациях растяжения и сжатия. После этого проводили измерения сопротивлений проволочных и полупроводниковых тензорезисторов при деформациях растяжения и сжатия через Ат = 60 мин. Значения измеренных кодов приведены в таблице 2.4. I — 1 - относительное изменение сопротивления тензорезистора, измеренное по истечение времени т после окончания нагружения балки; AR =(Ri-R0) - приращение сопротивления /-го тензорезистора после нагружения балки; Ro - сопротивление тензорезистора при разгруженной балке; Ri - сопротивление тензорезистора в момент нагружения балки; ART =(R,T -Ro)- приращение сопротивления z-го тензорезистора после нагружения балки через промежуток времени т от начала нагружения; RiT - cопротивление тензорезистора при нагруженной балке, измеренное через промежуток времени т от начала нагружения.
Результаты испытаний проволочных и полупроводниковых тензорезисторов на ползучесть приведены в таблице 2.5. На рисунке 2.7 показано изменение сопротивления проволочного (а) и полупроводникового (б) тензорезисторов от времени при прогибе градуировочной балки на 0,8 мм. За время испытаний по 54 казания проволочных тензорезисторов типа ПКС находились в диапазоне значений от – 2 мОм до + 3,6 мОм. При этом показания полупроводникового тензоре-зистора типа KSP изменялись от – 6,3 мОм до + 5 мОм.
Из представленных результатов следует, что ползучесть у полупроводниковых нетермокомпенсированных тензорезисторов KSP более чем в два раза выше, чем у проволочных тензорезисторов типа ПКС. Таким образом, тензорезисторы типа ПКС более стабильны по времени, чем тензорезисторы KSP.
Кроме того, при анализе данных предварительных испытаний на ползучесть, при которых прогиб балки изменялся ступенями по 0,2 мм в диапазоне от –2 мм до +2 мм, выяснилось, что полупроводниковый тензорезистор имеет нелинейность по изменению выходного кода системы ММТС-64.01 (сопротивления) от величины прогиба балки. На рисунке 2.8 показана зависимость изменения сопротивления тензорезисторов от величины прогиба балки.
Изменение сопротивления тензорезисторов от деформации градуи-ровочной балки Как видно из графиков на рисунке 2.8, для проволочных тензорезисторов типа ПКС сопротивление при изменении величины прогиба балкм на всем диапазоне от –2 мм до +2 мм не изменялось и в среднем составляло 30 мОм.
Для полупроводникового тензорезистора типа KSP наблюдается неравномерность изменения сопротивления от величины прогиба балки. Например, при сжатии при изменении прогиба от величины –1,8 мм до –2 мм выходное сопротивление изменилось на 1379 мОм, а при растяжении при изменении прогиба от величины +1,8 мм до +2 мм, выходное сопротивление изменилось на 1033 мОм.
Таким образом, при обработке результатов измерений для полупроводникового тензорезистора необходимо вводить поправочный коэффициент, который зависит от абсолютного значения деформации элемента металлоконструкции секции механизированной крепи.
Исследование влияния температуры Для изучения влияния температуры на сопротивление тензорезисторов балка с наклеенными тензорезисторами помещалась в термокамеру. На тарировоч-ную титановую балку были наклеены 8 тензорезисторов (№ 1–4 типа ПКС, № 5–8 типа KSP).
Главные оси тензорезисторов 1–4 и 6–8 располагались параллельно продольной оси балки, а у тензорезистора 5 – перпендикулярно. Информация с тен-зорезисторов поступала в быстродействующую тензосистему «Динамика-1» (свидетельство RU.C.34.007.A № 44411, регистрационный номер № 3288506, тип средства измерений утвержден приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 8.11.2011 г. № 6295).
Исследования проводились через 10 С в температурном диапазоне от 0 С до + 45 С. Изменения сопротивления от температуры для проволочных и полупроводниковых тензорезисторов показаны на рисунках 2.9 а, 2.9 б. а б
Зависимости сопротивления тензорезисторов от температуры: а – для проволочных тензорезисторов типа ПКС (1–4), б – для полупроводниковых тензорезисторов KSP-6-350 (5–8) При изменении температуры у тензорезисторов типа ПКС (рисунок 2.9 а) происходит уменьшение сопротивления на 0,1 Ом.
Дальнейший анализ показал, что при изменении температуры сопротивление тензорезисторов типа KSP увеличивается в среднем на 15 Ом. Тем не менее, проводить испытания, во время которых наблюдается большой градиент изменения температур на полупроводниковых тензорезисторах типа KSP не рекомендуется. Для этого предпочтительно использовать модели тензорезистора c температурной самокомпенсацией, например KSN, при измерении использовать термопару и исключать погрешность на этапе обработки данных поправочным коэффициентом.
Измерение динамических деформаций Как было отмечено выше, для перспективы развития темы важно было определить возможности работы KSP для фиксации быстропротекающих процессов, например динамического нагружения или ударной нагрузки. Для создания динамических деформаций был использован обрезиненный стальной шарик массой 20 г. Шарик бросали на балку с высоты 1 м. На рисун 58 ке 2.10 показан вид сигнала на выходе измерительной системы при имитации ударной деформации тарировочной балки путем бросания металлического шарика. Уровень сигнала с тензорезистора типа ПКС незначительно превышает уровень шумов, а сигнал с тензорезистора типа KSP обладает ярко выраженной высокочастотной составляющей.
В результате исследований установлено, что в случае динамического воздействия при пересчете в единицы деформации регистрируемый переходный процесс соизмерим как для проволочного, так и для полупроводникового тензоре-зистора (рисунки 2.11 а, б). Однако уровень шума в сигналах с малой амплитудой у полупроводникового тензорезистора KSP (рисунок 2.11 а) значительно меньше, чем у проволочного ПКС, у которого присутствует значительная шумовая составляющая – до 40 % полезного сигнала. Следовательно, полупроводниковые тензо-резисторы имеют лучшее соотношение «сигнал / шум», что делает их более предпочтительными при исследовании динамических и ударных процессов.
Разработка технических и программно-аппаратных средств экспериментальных исследований
Граничные условия расчетной модели установлены следующим образом: запрет всех смещений для одной из монтажных площадок (неподвижная опора), для противоположной площадки возможно продольное перемещение без вращения (кулиса) и приложена постоянная растягивающая сила в 1 Н, которая соответствует значениям области упругой работы металла при указанных параметрах модели. Материал упругий изотропный с параметрами модуля упругости Е = 2.07105 МПа и коэффициента Пуассона = 0.28.
Полученные результаты расчета МКЭ реакции моделей арочных УЭ на постоянную приложенную силу приведены в таблице 2.6, где представлены данные расчета нескольких наиболее показательных конфигураций УЭ разных видов арок, их геометрические параметры и значения максимальных эквивалентных деформаций в зоне установки тензорезистора при воздействии силы на монтажную площадку, а также на рисунках 2.13 и 2.14, где представлено распределение эквивалентных деформаций для выбранных конфигураций УЭ.
Конфигурация № 1 имела следующие параметры: высота арки H = 10 мм, ширина поперечного сечения постоянная по длине и равна B = 10 мм. На рисунке 2.13 (№ 1) показано распределение эквивалентных деформаций для данной конфигурации УЭ. Максимальное значение эквивалентных деформаций = 43, наблюдается в замковом сечении свода арки.
Для проверки влияния формы перехода от монтажной площадки до свода была рассчитана конфигурация № 2 с радиальным сопряжением свода арки и монтажной площадкой радиусом r1. Высота арки Н = 10 мм, ширина поперечного сечения постоянная по длине и равна B =10мм, радиус сопряжения r1 = 2 мм. Распределение эквивалентных деформации данной конфигурации УЭ показано на рисунке 2.13 (№ 2). Значение эквивалентных деформаций существенно не изменилось и составило 42. Таблица 2.6 – Зависимость эквивалентных деформаций в зоне установки тензорезистора от параметров арки УЭ
Следующая конфигурация № 3 – УЭ с прямой и вогнутой аркой без радиального сопряжения грани имела параметры: высота арки Н = 10 мм, ширина поперечного сечения постоянная по длине и равна B = 10мм. Распределение эквивалентных деформации конфигурации УЭ № 3 показано на рисунке 2.13 (№ 3). Наблюдается значительно больший уровень эквивалентных деформаций к вершине свода именно на половине длины базы УЭ с вогнутой аркой. Однако максимальные значения также не превысили 40.
Реакция профиля УЭ с вогнутой аркой на смещение монтажной площадки была проверена конфигурациями УЭ № 4 и № 5, которые имели форму вогнутой арки. Отличие заключалось в наличии и отсутствии радиального сопряжения дуг свода радиусом r2. Высота арки Н = 10 мм, ширина поперечного сечения постоянная по длине и равна B = 10 мм. Для конфигурации УЭ № 5 радиус сопряжения дуг свода r2 = 2 мм. Распределение эквивалентных деформаций конфигураций УЭ № 4 и № 5 показаны соответственно на рисунке 2.14 (№ 4) и 2.14 (№ 5).
Согласно [77], исполнение поперечного сечения арочного УЭ также может быть как постоянным, так и переменным, что, безусловно, влияет на результаты расчета. Поэтому был произведен расчет нескольких конфигураций УЭ с переменной шириной поперечного сечения B.– Распределение эквивалентных деформаций конфигураций арочных УЭ № 4-№ 6 В результате выявлено (таблица 2.6, рис. 2.14), что максимальные эквивалентные деформаций в зоне установки тензорезистора имеет модель УЭ переменного сечения в виде вогнутой арки с радиальным сопряжением дуг свода. Модель № 6 имеет высоту Н = 10 мм и уменьшенное поперечное сечения свода от монтажных площадок к вершине до половины ширины элемента B/2 = 5 мм, так как ширина тензорезистора KSP составляет 5 мм. При этом сохраняется линейная зависимость между перемещением монтажной площадки и деформациями в сечении вершины свода арки. Распределение эквивалентных деформаций конфигурации арочного элемента № 6 показано на рисунке 2.14 (№ 6).
По данным максимальных эквивалентных деформаций в зоне установки тензорезистора таблицы 2.6 расчетных моделей УЭ построена сводная диаграмма, которая представлена на рисунке 2.15.
Далее более подробно рассматривались параметры средней части УЭ, предназначенной для установки тензорезистора. Варьировался радиус сопряжения дуг свода r2, и исследовалось его влияние на максимальные значения эквивалентных деформаций max при постоянном значении приложенной силы. Результаты расчета моделей представлены в таблице 2.7.
Лабораторные стендовые исследования элемента металлоконструкции секции механизированной крепи
В ходе экспериментальных исследований на разработанном лабораторном стенде важным являлся вопрос сопоставимости результатов с полученными ранее значениями на установке для градуировки при исследовании основных характеристик тензорезисторов KSP (глава 2 п. 2.1.2). Анализируя результаты таблицы 2.2, можем отметить, что значение Ki полупроводникового тензорезистора KSP (128,61) сопоставимы с результатами в таблице 4.4, где среднее расчетное значение Ki KSP составило 128,54. Такое соответствие данных подтвердило достоверность результатов, полученных по предложенной методике с использованием макетного образца МТС на разработанном стендовом оборудовании, и позволило провести сопоставление полученных результатов двух экспериментов.,
Коэффициент тензочувствительностиК, 2,19 2,16 2,18 2,16 128,5 127,0 129,2 129,4 128,61 29,76 26,71 Среднее значениекоэффициентатензочувствительности 2,17 128,54 128,61 29,76 26,71 можно оценить насколько коэффициент тензочувствительности Ki разработанных АСТП 1 и АСТП 2 выше значения Ki проволочного тензорезистора ПКС.
Результаты показывают, что использование УЭ в составе арочных СТП с тензорезистором KSP в среднем снижает его коэффициент тензочувствительности в 4,9 раз в сравнении с KSP, приклеенными непосредственно на ОК. В то же время СТП на основе разработанной конфигурации арочного УЭ в среднем превосходят по чувствительности проволочные тензорезисторы ПКС более чем в 12 раз, компенсируя падение чувствительности СТП за счет включения УЭ в измерительную цепь. При этом основным преимуществом разработанной конструкции АСТП перед приклеиваемыми тензорезисторами является возможность его неоднократной переустановки на элементах металлоконструкций секции механизированной крепи в процессе испытаний.
Несмотря на выявленное снижение чувствительности АСТП при использовании прижимного способа закрепления УЭ на NdFeB магниты, он позволяет решать важную практическую задачу оперативной оценки деформаций в произвольной зоне ОК. Отработка методики экспериментальной оценки деформаций элементов металлоконструкций секции с использованием опытных образцов АСТП проводилась на рычаге траверсы секции МКЮ.2У-12/25 при нагружении на лабораторном стенде. Для этого на стенд устанавливался комплект увеличенных рамных опор по габаритным размерам детали и было уменьшено расстояние между основаниями стенда. Таким образом, с учетом ширины рамных опор и конфигурации детали была обеспечена максимальная для работы на лабораторном стенде длина рабочей зоны в 620 мм.
Согласно данным ООО «Юргинский машзавод», при работе в составе секции во время проведения стендовых заводских испытаний, контроль деформаций и напряжений поверхностей рычага производится в точке 1 на передней поверхности и точках 2 и 3 на боковой поверхности детали (рисунок 4.6). Согласно рисунку 4.6, в указанных зонах механические напряжения при нагружении составляют от 3000 до 4000 кгс/см2 (294-392 МПа).
Рисунок 4.6 – Контрольные точки установки датчиков на рычаг траверсы при проведении заводских испытаний секции МКЮ.2У-12/25
Поскольку на имеющемся лабораторном стенде (рисунок 3.1) отсутствовала техническая возможность воспроизводить нагрузки, вызывающие такой уровень напряжений и деформаций рычага, экспериментальное определение деформаций проводилось при максимальной нагрузке на лабораторном стенде Fнагр = 100 кН.
Схема закрепления рычага в лабораторном стенде, при которой производилась экспериментальная оценка линейных деформаций, показана на рисунке 4.7. Данные для построения модели нагружения рычага показаны в таблице 4.6.
Расчетные значения деформаций рычага секции при нагружении на лабораторном стенде, полученные при моделировании указанной схемы МКЭ, показаны на рисунке 4.8. Геометрические параметры для создания модели рычага представлены в таблице 4.6, параметры материала для расчета даны в таблице 3.6.
Исходя из результатов моделирования видно, что на передней поверхности области повышенных деформаций в пределах зоны 1 сконцентрированы вдоль сопряжения с боковой стенкой и в средней зоне и являются преимущественно деформациями растяжения по продольной оси передней поверхности рычага. На боковой поверхности деформации имеют сложный характер. В зоне 2 преобладают деформаций растяжения, в зоне 3 – сжатия. Высокая уровень деформаций в зонах 4 связаны с воздействием сил реакции опор при закреплении рычага и локализованы по линиям контакта с рамными опорами стенда, поэтому в анализе не учитывались.
Далее, для проведения экспериментального экспресс-анализа деформаций арочными СТП по Uвых макета МТС, согласно методике (глава 3 п.3.3.1, рисунок 3.9), производилось разбиение исследуемой поверхности в виде матрицы на контрольные зоны, как показано на рисунке 4.9, и произведена разметка поверхности с указанием осевых линий установки АСТП. Таким образом, исследования проводились по двадцати пяти равным зонам с размерами 58124 мм.